专利名称：对流体喷射装置的补偿的制作方法
对流体喷射装置的补偿5背景技术下文的讨论仅提供了总体背景信息，而不是要帮助确定所要求保 护的主题的范围。使用诸如水之类的流体来精确地切割材料的系统是公知的。典型 地，该系统将流体置于极大的压力之下(例如30， 000 psi或更高)， 10迫使流体通过孔径(aperture)或孔口 (orifice),从而以高速度释 放到要经腐蚀工艺被切割的材料上。在多种应用中，还把磨料 (abrasive)引入液流中，并随流体释放出，从而通过增强腐蚀工艺 来提高切割动作的效率。使用液流来切割材料会产生具有与常规切割机不同特性的切口。 15 图1和2示出了从喷嘴14的孔口12流出以切割工件16的液流10。典型地， 希望工件16中存在多于一个的洞，从而喷嘴14以及由此液流10沿着相 对于工件16的所希望的路径15运动。在图1中，喷嘴14在纸面方向上移 入和移出，而在图2中，喷嘴14在箭头15所示方向上运动。参考图l，液流10所造成的切口20在上表面22 (面向喷嘴14)上 20 的宽度与下表面24 (背向喷嘴14)上的宽度不同。由于宽度的不同所 造成的锥形28被称作"截口角(Kerf angle)" 30。除非另有说明，否 则截口角30是切口表面32与液流轴失去平行而形成的角度(设计的是 这个流对于材料表面来说通常不在法线方向上)。锥形28根据材料厚度 而变化，但也根据切割速度或喷嘴14的运动而变化。通常，当切割速 25 度减慢时，锥形28变小，而当切割速度进一步减慢并超过某一点时， 锥形28从图1所示倒转变为朝向表面22更窄。典型地，针对锥形28的补 偿包括使喷嘴14关于喷嘴14的运动轴相对于工件16而倾斜。除了切口中出现的锥形28之外，同样由于材料的厚度和喷嘴14的 运动，还会出现"滞后(lag)"。参考图2，喷嘴14运动得越快，被工 30件16的材料所偏转的液流10越多。如图所示，偏转(deflection)距离32被定义为液流10撞击上表面22的点与流10流出下表面24的点之间 的长度差，而可以使用这些点之间形成的直线36把"截口滞后(Kerf lag)"定义为角度34。典型地，截口滞后34不会影响直线切割时的切 割精度，因为液流10的流出部分跟随着撞击点。然而例如在拐角处， 5 液流10的偏转会导致切割误差，因为液流10会喷(flare)到拐角之外， 留下或切割出不希望的偏转锥形。此外，平滑直线切口的实现受到喷 嘴14速度的影响。然而，与锥形28不同，可以通过减慢喷嘴14在工件 16上的运动而减小滞后34。如同锥形28，在这种情况下，使喷嘴14关 于横切过运动方向的轴发生倾斜也能够提供针对滞后34的一些补偿。 10 使用针对截口误差的补偿的系统已经得以发展，然而期望得以改进。发明内容提供该发明内容和摘要以简化的方式引入一些概念，这些概念在 1具体实施方式
中进一步做出描述。发明内容和摘要并不旨在确定所要 求保护的主题的关键特征或实质特征，也不旨在用于帮助确定所要求 保护的主题的范围。另外，这里提供的说明书以及所要求保护的主题 不应被解释为关注于解决背景技术中所讨论的任何缺点。一种对用于切割双轮廓工件的液流进行定位的系统和方法，所述 20 系统包括补偿模块，被配置为接收与用于切割双轮廓工件的并具有至少5个自由度的轮廓路径(contour path)、以及切割期间的液流运 动速度有关的信息，并且被配置为基于截口补偿误差来提供具有所述 至少5个自由度的修改后的轮廓路径，作为输出；运动控制器，适于接 收具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径和所述速度，并且被配 25 置为提供控制信号；以及定位器，被配置为接收所述控制信号，并相 应地对邻近所述工件的液流进行定位。
图l是现有技术的液流切割中出现的锥形的示意图。 30 图2是现有技术的液流切割中出现的液流滞后的示意图。图3是示出了液流切割系统的示例操作的流程图。 图4是经过补偿的切割路径的图示。图5A、 5B和5C是针对示例材料的基于多项式的补偿的图示。 图6是本发明的液流切割中出现的锥形的示意性示例表示。 5 图7是本发明的液流切割中出现的液流滞后的示意性示例表示。
具体实施方式
图3是示出液流切割系统100的示例操作的框图/流程图。通常，使 用液流切割装置(通常也被称作喷水系统，但是这里定义的"流体"10 的其他类型可以包括液体、等离子体、粒子、气体或其组合)102来切 割材料，这是公知的，在这里示意性地示出。参考图6和7，装置102 包括喷嘴14'。在这点上，应当注意的是使用素数来指示上述类似概念； 然而，待切割的工件和切割过程自身是不同的，因为是对复杂的工件 进行切割，该工件可能具有双轮廓和/或变化的厚度。15 在本实施例中，通过多轴定位器(例如5或6个轴控制)104使切割装置102的切割喷嘴14，相对于待切割的材料或工件产生运动。如同切 割装置102，该定位器是公知的，而且对于理解这里所描述的概念来说 无需详细讨论。简要地说，用于液流切割的典型技术是把工件(有时也被称作"被 20切割的材料")安装在适合的夹具(jig)中。典型地，将液流或流体 射流引导到工件上，以完成所需的切割，从而生产出具有一定形状的 目标部件，而且液流或流体射流通常受到计算机或机器人控制。典型 地，借助于通过高压管道(tubing)、软管(hose)、管道系统(piping)、 蓄液器(accumulator)和过滤器与切割头(cutting head)相连的高 25压泵来产生切割能量。无需保持工件固定，也无需操作流体射流切割 工具。可以在固定的切割射流下操作工件，或可以操作流体射流和工 件两者以便于切割。正如下文所描述，由系统100接收待切割的期望工 件的规格，其中确定切割参数(例如但不限于，喷嘴的切割速度或速 率、包括喷嘴朝向的喷嘴切割路径)，以考虑到切割工艺特性，产生经 30 过必备补偿的所需工件。在所示的示例实施例中，工件规格体现在计算机辅助设计("CAD") 程序或模块106中。CAD模型是公知的，而且可以使用与系统100分离或 作为系统100—部分的计算机工作站、针对所需工件而开发CAD模型。 把CAD模型106提供给计算机辅助机械加工(CAM)系统108，使用 5 系统108来确定用以产生所选工件的初始机械加工造参数，包括但不限 于切割路径(即运动简档(motion profile)),如果需要，可以对其 进行"后处理"，处理成针对特定的定位器或切割装置的格式。
参考图4，在这里所描述的为理解目的的示例实施例中，针对所需 工件的一部分的切割路径200可以依据包括5个自由度(X、 Y、 Z、 C、 B) 10 的坐标的数据集序列202来描述，例如参考坐标系202中的三个平移(X、 Y、 Z)和两个倾斜角或曲面法线矢量(B、 C)。应当注意，也可以使用 具有6个自由度的切割路径，其中第六个坐标(A)涉及切割头关于与 其他相互正交的倾斜轴(B、 C)正交的轴的旋转。
在这点上，应当注意的是图3中所示以及下文所讨论的模块意在理 15解而不应当被看作限制，因为可以使用其他模块来执行这里描述的功 能中的一些。同样，可以在模块间以其他方式来划分或组合功能。这 些模块可以采用数字和/或模拟计算设备来实现，例如计算机。
为了理解目的，总体上由虚线所示的补偿模块113被示出为决策块 112、路径补偿组件140和/或截口补偿部件160，而且如下文所述提供 20 了具有至少5个自由度的修改后的轮廓切割路径以及速度。
除了切割路径200之外，根据切割路径而变化的喷嘴速度也可由 CAM系统108提供，以形成"运动简档"，这在图3中110处示出。除了切 割路径或轮廓路径(contour path)之外，输入110还可以包括速度指 示或标准(例如最大速度)。然而，在给定的切割条件下(例如但不限 25 于所需工件的形状)，任意的初始速度(如果给定)可能不是最优的。 因此，可如所示的一样，由决策块112调整该速度。
至块112的模型稳定态速度输入114是使用已知切割模型而从处理 部件116提供的，已知切割模型例如为下列文献中所描述的J. Zeng in "Mechanisms of Brittle Material Erosion Associated With High 30PressureAbrasiveWaterjetProcessing", Doctoral10
15
20
Dissertation, University of Rhode Island, Kingston, R. I., 1992, 具体地，Zeng描述了可以使用具有如下形式的方程来确定切割速度:
W =(
n ,594《.374*()L15
0.618
其中
":切害腿率(腿/min或inch/min)
Z。磨料因子(石榴石的为1) l : 切肖ll性数(machinabiltiy number) 尸w:水压(Mpa或kps) 孔口直径(mm或英寸)
乾
;料流速(g/min或lb/min)
:质量等级指标
A:工件厚度(腿或inch)
《混合管直径(mm或inch)
C:系统常数(对于公制单位是788，或者对于英制单位是163)。
通常，部件116接收被切割材料的类型118、所需切口的"质量" 的定性测量120以及材料厚度122，作为输入，并接收上式中示出的其 他参数，以确定模型稳定态速度114。
然而，这里提供的另一速度影响(velocity effect)输入126 (也 被称作"瞬态前瞻(transient look-ahead)速度影响")允许基于由 喷嘴的实际运动施加的约束，来进一步修改来自块112的获得的速度 128。该速度影响输入126源自用于定位器104的运动控制器148，运动 控制器148可以包括对所需速度减小的条件进行搜索的模块149。例如， 且不作为限制，当接近工件中待切割的尖锐拐角时，可能需要偏离模型稳定态速度114，例如喷嘴的速度必须在到达待切割的实际拐角之前 减慢。在另一情况下，如果操作员在切割期间操作"停止"开关，则
需要降低速度。然而，其他运动模块151也可以影响速度，例如由适合 的传感器所监控的喷嘴向着或远离上表面22的运动。简言之，瞬态前 5 瞻速度影响输入126基于将由切割喷嘴执行的任意运动，该运动导致喷 嘴偏离速度U4。
然而，在块112处确定的速度128并不对上述截口宽度28'、锥形 30'、和滞后34'(如图6和7中所示)所造成的误差进行补偿。提供 路径补偿组件140以解决这些误差中的一些。路径补偿组件140基于多
10项式方程或模块143的使用，其针对截口误差、截口宽度(Kw)、截口 角度(Ka)和截口滞后(Kl)中的每一项，使用来自多种材料的实际 切口的经验数据142和材料的材料特征数据144，连同与实际使用材料 有关的输入、材料厚度和所需质量以及来自块112的获得的速度128。 提供了针对截口宽度(Kw)、截口角度(Ka)和截口滞后(Kl)的稳定
15 状态(恒定操作条件，包括但不限于速度)截口误差补偿。然而，现 有技术不包括针对该补偿的动态方面，这由来自定位器104的运动控制 器148的速度输入反馈126提供。在另一实施例中，静态(没有输入126) 或动态(具有输入126)的补偿是在对需要至少5个自由度的工件进行 切割时提供的，即在切割可具有双轮廓的工件时，这是与在平面中切
20 割工件明显不同且更为复杂的操作环境，仍然允许喷嘴提供用于截口 补偿的至少两个倾斜度。换句话说，由于由瞬态前瞻速度影响输入126 的反馈提供的运动控制器148的动态约束从不然将会使用的速度中减 去了所产生的速度128，所以在动态意义上讲，路径补偿组件140可以 计算基于截口的误差所需的补偿。通过使用针对需要切割的、将要到
25 来的尖锐拐角而减小速度的示例，由于液流切割在喷嘴速度减小时的 过腐蚀切割性质，对基于截口的误差进行了动态补偿。
应当注意的是，由于针对截口误差的多项式模型也可以基于被切 割材料的厚度，所以可以基于材料/工件的已知几何形状从截面分析器 (cross-section analyzer) 154提供厚度值。然而，在另一实施例中，
30除了截面分析器154或作为截面分析器154的备选，截面分析器传感器156可以提供与切割期间实际测量的厚度有关的信号。适合的传感器的
示例包括但不限于，基于机械、光学、电超声的传感器。在复杂的任 意双轮廓工件中，例如厚度通常发生变化的飞机机翼组件，针对不断 变化的厚度把材料切割为所需形状和质量规格时，该特征尤其有用。
5 鉴于多项式模块143典型地基于曲线族，针对已存储曲线之间的操
作点(operating point)而提供模型插值部件150。图5A-5C是针对示 例材料的基于多项式的截口误差补偿的示意图。
截口补偿部件160接受从路径补偿组件140中计算的、基于截口宽 度、截口角度、截口滞后的误差，并从CAM系统108接受用于5维控制切
10 割的轮廓路径数据集(X、 Y、 Z、 C、 B)和用于6维控制切割的(X、 Y、 Z、 C、 B、 A)(如果需要的话)。截口补偿部件160把路径补偿组件140 计算的截口补偿误差应用于被切割的实际轮廓的特定位置。换句话说， 路径补偿组件140自身提供的截口补偿误差信息不足以移动喷嘴14'。 截口补偿部件160包括瞬时工具路径矢量(tool path vector)计算器
15 162，该计算器计算来自当前位置附近的部件加工程序点(part program point)的瞬时运动路径矢量，以考虑到在任意给定位置处的 哪边是所需工件而哪边是废弃的、残余的或丢弃的材料，来确定需要 以何种方式提供补偿。在所示实施例中，使用5或6个轴的部件加工程 序和所计算的运动矢量，由部件166来计算瞬时5D或6D运动命令或工具
20 框架(tool frame)。在动态模式下，同时结合运动计划器(motion planner)所确定的其他线性、角度和/或速度影响。部件170把包括截 口宽度、截口角度、截口滞后以及运动计划器影响的总补偿应用于命 令框架。可以在168存储所得到的修改后的路径和速度，而且如果需要， 还可以产生包含与切割过程相关的有关信息的总结报告，并也在168
25 将其存储，该信息为例如工件的切割时间有多长。值得注意的是，该 报告可以基于仿真的切割，因为如果给定己知的切割路径和动态速度 改变，则可以估计实际的总切割时间，或可以在实际的切割前检测其 他问题。然而，附加地或作为备选，在实时切割模式下，提交修改后 的路径和速度数据，以便由运动控制器148来执行。
30 再次参照图4中的切割或工具路径200，还可以对所提供的补偿的形式进行解释。相对于某个参考或命令坐标系204来定义路径200;然 而，考虑到至少5个运动控制度定义了切割路径200，还提供了两个倾 斜度(表面法线矢量)。因此，如上文所述，切割路径上所定义的点202 被表示为(X、 Y、 Z、 C、 B)(利用5个控制度作为示例)。 5 在工具路径200中的每一点处，对所考虑的当前点之前和之后的相邻点进行检查，以确定当前点(作为示例，是点202A)处的瞬时运动 矢量206。然后，使用瞬时运动矢量206来确定所形成的切口 (图l)的 截面208，其与瞬时运动矢量206正交；并确定沿该切口并沿着瞬时运 动矢量206的截面(图2)。因此，相对于当前位置202A处的瞬时坐标框 10 架来进行截口校正，并在没有提供速度反馈影响126的情况下转换回参 考坐标系204成为(X， 、 Y， 、 Z， 、 B， 、 C，)，或在存在速度反馈影 响126的情况下转换回参考坐标系204成为(X， ， 、 Y， ， 、 Z，，、 B， ， 、 C'，)。截口补偿部件160还可以包括由过程监控模块182监控的其他过程15 变量，例如但不限于，随着喷嘴磨损(例如由于"喷射开启(Jet-on)" 时间)孔口直径的改变、磨料率(abrasive rate)、压力等。这由信 号线180示出，其输入还可以施加到路径补偿组件140。尽管与截口补 偿不直接相关，然而可以提供模块184来发信号通知何时需要替换喷嘴 或何时需要关注其他过程变量。20 总之，这里描述的一些方面包括真实的5维或更多维的切割环境中的截口补偿，该补偿还可以包括针对除了切割质量之外的其他原因的 基于喷嘴的约束或所需运动的动态补偿，以及具有不断变化的厚度的 工件。然而，应当注意的是，这里提供的补偿不限于基于初始切割路 径(相对于CM^系统108)的后处理的静态切割路径/朝向，或是动态运25 动控制期间(实际切割期间)所提供的补偿，而且还有在上述情况中 的每一种情况下或多种情况的组合中使用的补偿机制。尽管以结构特征和/或方法动作的语言描述了本发明的主题，可以 理解的是，所附权利要求中限定的本发明的主题不限于上述特定特征 或动作。相反，上文描述的特定特征和动作作为实施权利要求的示例30 形式而公开。
权利要求
1、一种对用于切割双轮廓工件的液流进行定位的系统，所述系统包括补偿模块，被配置为接收与用于切割双轮廓工件并具有至少5个自由度的轮廓路径以及切割期间的液流运动速度有关的信息，并且被配置为基于截口补偿误差来提供具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径，作为输出；运动控制器，适于接收具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径和所述速度，并且被配置为提供控制信号；以及定位器，被配置为接收所述控制信号，并相应地对邻近所述工件的液流进行定位。
2、 根据权利要求l所述的系统，其中，所述运动控制器适于提供 15与在切割过所述工件期间的液流的速度改变有关的信息，而且所述补偿模块适于根据所述速度改变来修改所述轮廓路径。
3、 根据权利要求l所述的系统，还包括用于指示所述双轮廓工件 在切割点处的厚度改变的装置，其中所述补偿模块适于根据厚度改变 来修改所述轮廓路径。20
4、根据权利要求3所述的系统，其中，所述用于指示所述双轮廓工件在切割点处的厚度改变的装置包括适于测量所述切割点处的厚度 的传感器。
5、 根据权利要求3所述的系统，其中，所述用于指示所述双轮廓 工件在切割点处的厚度改变的装置包括与所述工件的设计有关的位置25信息。
6、 根据权利要求l所述的系统，其中，所述补偿模块包括补偿组 件，所述补偿组件适于接收与用于切割双轮廓工件并具有至少5个自由 度的轮廓路径以及切割期间的液流运动速度有关的信息，并且适于根 据经验数据来提供与截口补偿有关的信息。
7、根据权利要求6所述的系统，其中，所述经验数据是多项式方程形式的。
8、 根据权利要求6所述的系统，其中，所述补偿模块包括截口补 偿部件，所述截口补偿部件被配置为接收与基于经验数据、所述轮廓路径以及所述速度的截口补偿有关的信息，并提供具有所述至少5个自 5 由度的修改后的轮廓路径。
9、 根据权利要求8所述的系统，其中，所述截口补偿部件包括被 配置用于确定沿所述轮廓路径的任意点处的工具路径矢量的模块，而 且具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径是基于所述工具路径 矢量的。10
10、根据权利要求9所述的系统，其中，所述截口补偿部件包括第一模块，被配置为基于在与所述轮廓路径不同的坐标系中的所述工具路径矢量，确定至少5个维度的截口补偿误差；以及第二模块，被配置为使用所述至少5个维度的截口补偿误差，提 供所述修改后的轮廓路径，其中所述截口补偿误差是基于与所述轮廓 15 路径不同的坐标系中的所述工具路径矢量的。
11、 根据权利要求9所述的系统，其中，所述运动控制器适于提 供与切割期间的速度改变有关的信息，而且所述补偿模块适于根据所 述速度改变来修改所述轮廓路径。
12、 根据权利要求9所述的系统，还包括用于指示所述双轮廓工 20件在切割点处的厚度改变的装置，其中，所述补偿模块适于根据厚度改变来修改所述轮廓路径。
13、 根据权利要求12所述的系统，其中，所述用于指示所述双轮 廓工件在切割点处的厚度改变的装置包括适于测量所述切割点处的厚 度的传感器，而且所述补偿组件适于根据厚度改变来修改所述截口信25息。
14、 根据权利要求12所述的系统，其中，所述用于指示所述双轮 廓工件在切割点处的厚度改变的装置包括与所述工件的设计有关的位 置信息，而且所述补偿组件适于根据来自与所述工件的设计有关的位 置信息的厚度，修改所述截口信息。30
15、 一种提供用于切割双轮廓工件的轮廓路径的方法，所述方法包括接收与用于切割双轮廓工件并具有至少5个自由度的轮廓路径以 及切割期间的液流运动速度有关的信息；基于截口补偿误差来确定具有所述至少5个自由度的修改后的轮 5廓路径；以及输出所述修改后的轮廓路径。
16、 根据权利要求15所述的方法，还包括接收与在切割通过所述 工件期间液流的速度改变有关的信息，其中，基于截口补偿误差来确 定具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径的步骤包括基于所述10 速度改变来执行该步骤。
17、 根据权利要求15所述的方法，还包括接收与所述双轮廓工件 在所述切割点处的厚度改变有关的信息，其中，基于截口补偿误差来 确定具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径的步骤包括基于厚 度改变来执行该步骤。
全文摘要
一种对用于切割双轮廓工件的液流进行定位的系统，所述系统包括补偿模块(113)，被配置为接收与用于切割双轮廓工件的具有至少5个自由度的轮廓路径以及切割期间的液流运动速度有关的信息，并且被配置为基于截口补偿误差来提供具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径，作为输出；运动控制器(148)，适于接收具有所述至少5个自由度的修改后的轮廓路径和所述速度，并且被配置为提供控制信号；以及定位器(104)，被配置为接收所述控制信号，并相应地对邻近所述工件的液流进行定位。
文档编号B26F3/00GK101262990SQ200680033541
公开日2008年9月10日 申请日期2006年8月4日 优先权日2005年8月4日
发明者弗雷德里克·J·斯坦曼, 查尔斯·J·哈伯曼, 迪安·R·拉瓦勒 申请人:美国派尔(PaR)系统有限公司